TITRE : Protection des bobines d’une machine électrique

DOMAINE DE L'INVENTION

La présente invention concerne le domaine des machines électriques comprenant des pastilles supraconductrices pouvant notamment être utilisées dans des aéronefs. En particulier, l’invention s’applique aux machines électriques comprenant des pastilles magnétisées ou non-magnétisées, aux machines électriques à aimants supraconducteurs ou à barrières de flux supraconductrices, aux machines entièrement supraconductrices (induit et inducteur supraconducteurs) ou partiellement supraconductrices (induit ou inducteur supraconducteur) ainsi qu’aux machines supraconductrices à flux radial ou axial.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Une partie de l’ingénierie se préoccupe des futurs moyens de transport en cherchant à rendre les systèmes plus écologiques. Dans le domaine du transport aérien, différents projets et prototypes ont déjà vu le jour, comme SOLAR IMPULSE ou l’E-FAN d’Airbus. Les préoccupations environnementales, la réduction de la consommation de carburant et de bruit sont tant de critères qui encouragent l’utilisation de machines électriques. Pour pouvoir supplanter les technologies actuelles, les constructeurs aéronautiques travaillent sur l’augmentation de la puissance massique de ces machines électriques. Ainsi, une étude est conduite sur le gain qu’apporterait les matériaux supraconducteurs HTC (acronyme de haute température critique) pour les actionneurs embarqués.

Un matériau supraconducteur est un matériau qui, lorsqu’il est refroidi à une température inférieure à sa température critique, présente une résistivité nulle offrant ainsi la possibilité de faire circuler des courants continus sans pertes. De cela, plusieurs phénomènes en découlent comme la réponse diamagnétique pour toute variation du champ magnétique, permettant de réaliser d’excellents blindages magnétiques.

De manière connue en soi, une machine électrique comprend un inducteur et un induit. L’inducteur comprend une bobine HTC réalisé avec des fils HTC qui génère un champ magnétique modulé par des pastilles supraconductrices, qui font office d’écrans magnétiques. L’induit, quant à lui, comprend un système de bobinage triphasé en cuivre comprenant un agencement de bobines qui reposent sur un support ferromagnétique ou amagnétique. La rotation des écrans fait varier le champ magnétique et induit, par la loi de Lenz, une force électromotrice dans les bobines. Le dimensionnement d’une telle machine conduit à une structure à flux axial sans système d’alimentation tournant (type bague/balais). La maintenance et les problèmes de sécurité, apportés par un système bague/balais tournant, sont donc évités. Cette machine électrique est partiellement supraconductrice dans la mesure où seul l’inducteur est réalisé dans un matériau supraconducteur, par opposition à une machine totalement supraconductrice dont toutes les parties actives sont conçues avec des matériaux supraconducteurs.

Dans ce qui suit, on désignera par « inducteur » la bobine HTC et les pastilles supraconductrices configurées pour moduler le flux magnétique crée par la bobine HTC. On notera que, dans une machine électrique supraconductrice à barrières de flux, on utilise le comportement diamagnétique des pastilles supraconductrices quand elles sont refroidies hors champ. Les pastilles supraconductrices sont dans ce cas non-magnétisées et forment un écran (écrantage) qui dévie les lignes de champ, lorsqu’elles sont plongées dans un champ magnétique. Le champ magnétique est alors concentré et de forte amplitude entre les pastilles supraconductrices non-magnétisées et faible en aval de celles-ci. En variante, les pastilles supraconductrices peuvent être magnétisées et former des aimants supraconducteurs. On parle alors de machine à aimants supraconducteurs.

Généralement, les pastilles sont réalisées dans l’un au moins des matériaux suivants qui possèdent notamment de très bonnes caractéristiques d’écrantage : en YBCO (acronyme anglais de Yttrium Barium Copper Oxide pour Oxydes mixtes de Baryum, de Cuivre et dYttrium), en GdBCO (acronyme anglais de Gadolinium-Barium-Copper-Oxygen), en NbTi (pour niobium-titane), en MgB2 (diborure de magnésium) ou tout matériau RE-Ba-Cu-0 ou RE peut être n’importe quelle terre rare.

Les pastilles sont généralement obtenues grâce au procédé de croissance de germe. On pourra notamment se référer à l’article de M. Morita, H. Teshima, et H. Hirano, «Development of oxide superconductors », Nippon Steel Technical Report, vol. 93, p. 18-23, 2006 pour plus de détails sur ce procédé. En particulier, ce type de procédé consiste à former un cristal par solidification progressive de matière sur la surface d’un germe préexistant. Les pastilles ainsi obtenues sont donc généralement de formes circulaires ou rectangulaires. En variante, il a également été proposé de réaliser les pastilles par frittage. Cependant, la connexion inter-grain associée à ce procédé de fabrication a tendance à diminuer les performances des pastilles. Un autre procédé consiste à utiliser des rubans supraconducteurs (ou « tapes » en anglais) pour la fabrication des pastilles supraconductrices. On parle dans ce cas d’empilements de rubans (ou « stack of tapes » en anglais). Ces pastilles, dont le noyau supraconducteur est renforcé par la matrice des rubans les constituant, présentent une bonne tenue mécanique. Cette bonne tenue mécanique est particulièrement avantageuse lorsque les pastilles sont magnétisées (machine à aimants supraconducteurs).

Toutefois, la Demanderesse s’est aperçue du fait que la concentration du flux magnétique sur les bobines de l’induit n’était pas optimale, ce qui non seulement réduit la densité de puissance des machines électriques mais en outre risque de saturer les pièces en matériau ferromagnétique et de mettre la machine électrique en défaut.

EXPOSE DE L'INVENTION

Un but de l’invention est d’augmenter, de manière simple et efficace, la densité de puissance des machines supraconductrices.

Un autre but de l’invention est de réduire les risques de mise en défaut des machines supraconductrices.

L’invention s’applique à tout type de machine supraconductrice, qui comprennent notamment les machines partiellement supraconductrices ou totalement supraconductrices, à barrières de flux ou à aimants supraconducteurs, à flux axial ou radial.

Il est à cet effet proposé, selon un premier aspect de l’invention, une machine électrique supraconductrice, par exemple à flux axial ou à flux radial, comprenant un inducteur comprenant des pastilles supraconductrices réparties circonférentiellement autour d’un axe de la machine électrique. La machine électrique comprend en outre une barrière de flux comprenant un matériau supraconducteur, ladite barrière de flux étant centrée sur l’axe de rotation et s’étendant radialement à l’intérieur des pastilles supraconductrices.

Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives de la machine électrique selon le premier aspect sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison la barrière de flux comprend une bande annulaire s’étendant dans un plan radial à l’axe, ladite bande annulaire étant coaxiale à l’axe ; la barrière de flux comprend une bande annulaire s’étendant circonférentiellement autour de l’axe ; la machine électrique comprend en outre au moins une face s’étendant radialement vers l’axe depuis la bande annulaire, de préférence deux faces opposées décalées axialement l’une de l’autre ; la machine électrique comprend en outre un arbre d’entrainement configuré pour entrainer en rotation les pastilles supraconductrices autour de l’axe, la face de la barrière de flux comprenant un orifice traversant et l’arbre d’entrainement passant à travers l’orifice traversant de sorte que la barrière de flux est montée autour de l’arbre d’entrainement ; la machine électrique comprend en outre en outre un ensemble de refroidissement des pastilles supraconductrices et/ou des joints ferrofluides montés à proximité de l’arbre d’entrainement à travers l’orifice traversant, de sorte que la barrière de flux est montée autour de l’ensemble de refroidissement et/ou des joints ferrofluides ; la machine électrique comprend en outre un induit comprenant des bobines réparties circonférentiellement autour de l’axe, la barrière de flux étant solidaire en mouvement de l’induit ; la barrière de flux est solidaire en mouvement des pastilles supraconductrices ; la barrière de flux est continue sur toute sa périphérie ; la machine électrique est à flux axial, la barrière de flux s’étendant entre les pastilles supraconductrices et l’induit de sorte à recouvrir au moins partiellement la bordure radialement interne de tout ou partie des bobines de l’induit ; et/ou chaque bobine présente en outre des bordures latérales s’étendant radialement depuis la bordure radialement interne, la barrière de flux recouvrant au plus 10% de des bordures latérales.

Selon un deuxième aspect, l’invention propose un aéronef comprenant une machine électrique selon le premier aspect.

DESCRIPTION DES FIGURES

D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :

[Fig. 1] La figure 1 est une vue en coupe simplifiée d’une machine électrique à flux axial selon un premier mode de réalisation de l’invention dans lequel la barrière de flux est fixée sur les pastilles supraconductrices ;

[Fig. 2] La figure 2 est une vue simplifiée, éclatée et en perspective d’une machine électrique à flux axial selon un deuxième mode de réalisation de l’invention dans lequel la barrière de flux est fixée sur les bobines de l’induit ;

[Fig. 3] La figure 3 est une vue simplifiée, éclatée et en perspective d’une machine électrique à flux radial selon un troisième mode de réalisation de l’invention dans lequel la barrière de flux est fixée sur la structure support des pastilles supraconductrices, l’enceinte adiabatique ayant été omise ;

[Fig. 4] La figure 4 est une vue simplifiée, éclatée et en perspective d’une variante de réalisation de la machine électrique à flux radial de la figure 4, l’enceinte adiabatique ayant été omise ;

[Fig. 5] La figure 5 est une vue partielle en perspective d’un exemple de réalisation d’une barrière de flux ; et

[Fig. 6] La figure 6 est une vue schématique d’un aéronef comprenant une machine électrique conforme à l’invention.

Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

Dans ce qui suit, l’invention va être décrite et illustrée dans le cas d’une machine électrique 1 à flux axial partiellement supraconductrice à barrières de flux avec des pastilles non-magnétisées. Comme cela a déjà été indiqué plus haut, ceci n’est cependant pas limitatif, l’invention s’appliquant mutatis mutandis à des machines électriques comprenant des pastilles magnétisées, à des machines électriques à aimants supraconducteurs, à des machines électriques entièrement supraconductrices (induit et inducteur supraconducteurs) ainsi qu’à des machines électriques à flux radial.

Sur la figure 1 est représentée schématiquement une machine électrique 1 à flux axial supraconductrice à barrières de flux selon un mode de réalisation de l’invention comprenant de manière conventionnelle une partie tournante, ou rotor, et une partie fixe, ou stator.

Dans la présente demande, on appelle axe X du rotor, son axe de rotation. La direction axiale correspond à la direction de l'axe X et une direction radiale est une direction perpendiculaire à cet axe et passant par lui. Par ailleurs, la direction circonférentielle (ou latérale) correspond à une direction perpendiculaire à l'axe X et ne passant pas par lui. Sauf précision contraire, interne (respectivement, intérieur) et externe (respectivement, extérieur), respectivement, sont utilisés en référence à une direction radiale de sorte que la partie ou la face interne d'un élément est plus proche de l'axe X que la partie ou la face externe du même élément.

De manière connue en soi, la machine électrique 1 à flux axial supraconductrice comprend un induit 2 et un inducteur 3. L’induit 2 comporte un agencement 4 de bobines électromagnétiques 5 non supraconductrices, généralement en cuivre. L’inducteur 3 comporte une bobine supraconductrice 6 coaxiale à l’agencement 4 des bobines électromagnétiques 5 de l’induit 2 et des pastilles supraconductrices 7 montées sur une structure porteuse 8 qui sont disposées dans un même plan orthogonal à l’axe X et radialement à l’intérieur de la bobine supraconductrice 6. Optionnellement, l’inducteur 3 comprend en outre une culasse statorique comportant une couronne de fer 8. Ici, le rotor est formé par les pastilles supraconductrices 7 qui sont entraînées en rotation autour d’un axe de rotation s’étendant selon la direction axiale. Le stator est formé par l’agencement 4 de bobines électromagnétiques 5 et la bobine supraconductrice 6.

Les pastilles supraconductrices 7 sont en matériau supraconducteur et sont réparties de manière équidistante autour de l’axe de rotation, ce qui permet une variation spatiale du champ électromagnétique dans l’entrefer. Ici, les pastilles supraconductrice 7 sont non-magnétisées. En variante, les pastilles supraconductrices 7 pourraient être magnétisées. Par exemple, les pastilles sont réalisées en YBCO (acronyme anglais de Yttrium Barium Copper Oxide pour Oxydes mixtes de Baryum, de Cuivre et d'Yttrium), en GdBCO (acronyme anglais de Gadolinium-Barium-Copper-Oxygen), en NbTi (pour niobium-titane), en MgB2 (diborure de magnésium) ou tout matériau RE-Ba-Cu-0 où RE peut être n’importe quelle terre rare.

La bobine supraconductrice 6 de l’inducteur 3 est une bobine supraconductrice statique alimentée en courant continu. Le cas échéant, lorsque la machine électrique 1 comprend une culasse 4, celle-ci assure une tenue mécanique des bobines électromagnétiques 5 de l’induit 2. En d’autres termes, l’inducteur 2 est supraconducteur tandis que l’induit 3 est non- supraconducteur.

Les pastilles supraconductrices 7 peuvent présenter toute forme adaptée.

Dans un premier mode de réalisation, chaque pastille supraconductrice 7 présente, de manière connue en soi, la forme d’un disque plein (solide) (comme illustré sur la figure 2).

Dans un deuxième mode de réalisation, la pastille supraconductrice 7 peut être creuse afin d’adapter sa forme à l’épaisseur de pénétration du champ magnétique dans la pastille 7 (comme illustré sur la figure 1 ). Chaque pastille supraconductrice 7 comprend à cet effet une paroi circonférentielle qui présente :

- une première bordure,

- une deuxième bordure opposée à la première bordure

- une face interne reliant la première bordure et la deuxième bordure

- une face externe opposée à la face interne et

- une cavité formée entre la première bordure, la deuxième bordure et délimitée par la face interne de la paroi circonférentielle.

La face interne s’étend radialement à l’intérieur de la face externe. La pastille supraconductrice 7 est donc creuse en ce qu’elle présente une cavité qui, comme on le verra dans ce qui suit, peut être débouchante, traversante ou enfermée dans la pastille supraconductrice 7. La cavité est de préférence vide (dépourvue de matériau).

Optionnellement, la pastille supraconductrice 7 peut comprendre une ou plusieurs parois supplémentaires divisant la cavité en plusieurs parties. Le cas échéant, un orifice traversant peut être formé dans tout ou partie des parois. On pourra se référer au document FR3104804 au nom de la Demanderesse pour plus de détails sur ces différentes formes de réalisation de pastilles supraconductrices 7 avec cavité.

Dans un troisième mode de réalisation illustré sur les figures 2, 4a et 5a, la forme des pastilles supraconductrices 7 est adaptée (optimisée) de sorte à maximiser le rapport écrantage/masse des pastilles 7, c’est-à-dire que la forme des pastilles supraconductrices 7 est adaptée afin que la variation de la composante axiale du champ magnétique induit, et donc l’écrantage du flux magnétique, soit maximal, tout en minimisant la masse des pastilles supraconductrices 7. On peut ainsi obtenir une augmentation de la vitesse de rotation du rotor et donc de la puissance de la machine électrique. A cet effet, les pastilles supraconductrices 7 peuvent avoir une forme polygonale présentant au moins cinq côtés. Par exemple, la pastille 7 présente une forme hexagonale, de préférence celle d’un hexagone régulier isométrique. En variante, la face 8 de chaque pastille supraconductrice 7 présente la géométrie et les dimensions d’un secteur d’anneau. Par secteur d’anneau, on comprendra ici la forme délimitée d’une part par deux cercles coaxiaux, de diamètre différent, et d’autre part par deux segments de droite issus du centre des cercles. Le secteur d’anneau comprend ainsi deux côtés opposés courbes et deux côtés opposés droits.

On pourra se référer au document FR3104803 au nom de la Demanderesse pour plus de détails sur ces différentes formes de réalisation de pastilles supraconductrices 7.

Le champ magnétique est généré par la bobine supraconductrice 6. Par conséquent, il suffit d’éteindre la bobine supraconductrice 6 pour couper le champ magnétique dans la machine électrique supraconductrice. Cela présente un avantage dans la mesure où des pastilles supraconductrices 7 qui sont refroidies en présence d’un champ magnétique ne sont pas capables d’écranter le champ magnétique. Ainsi, il est nécessaire que le champ magnétique à écranter apparaisse à un instant postérieur au refroidissement des pastilles supraconductrices 7 pour leur permettre de jouer leur rôle d’écrans magnétiques, ce qui est rendu possible par l’utilisation de la bobine supraconductrice 6. Dans l’invention, la bobine supraconductrice 6 peut donc être éteinte lorsque les pastilles supraconductrices 7 sont chaudes et allumée une fois qu’elles sont refroidies.

Les bobines 5 de l’induit 2 peuvent également présenter toute forme adaptée. De manière connue en soi, les bobines 5 peuvent notamment présenter une forme de secteur d’anneau.

Quelle que soit la forme des bobines 5 de l’induit 2, chaque bobine présente une bordure radialement interne 10, une bordure radialement externe 9 et des bordures latérales 11 qui relient la bordure radialement interne 10 et la bordure radialement externe 9. La bordure radialement interne 10 et la bordure radialement externe 9 s’étendent suivant une direction circonférentielle par rapport à l’axe X tandis que les bordures latérales 11 sont sensiblement radiales.

De manière connue en soi, la machine électrique 1 comprend en outre un arbre d’entrainement, coaxial à l’axe X, configuré pour entrainer en rotation le rotor, c’est-à-dire ici la structure porteuse sur laquelle sont montées les pastilles supraconductrices 7, ainsi qu’un ensemble de refroidissement des pastilles supraconductrices 7 et des joints d’étanchéité, par exemple des joints magnétiques comprenant des ferrofluides. La partie de l’arbre passant à travers l’induit 2 et l’inducteur 3, l’ensemble de refroidissement et les joints d’étanchéité sont généralement logés dans une enceinte adiabatique 9. Sur les figures, seule l’enceinte adiabatique 9 est visible (figure 2). L’enceinte adiabatique 9 s’étend radialement à l’intérieur par rapport aux pastilles supraconductrices 7.

L’ensemble de refroidissement comporte généralement un cryostat comprenant une partie tournante et une partie fixe logées dans une enceinte. Les joints d’étanchéité sont configurés pour assurer une étanchéité entre la partie tournante et la partie fixe du cryostat.

Afin d’augmenter, de manière simple et efficace, la densité de puissance de la machine électrique 1 supraconductrice, la machine électrique 1 comprend en outre une barrière de flux 12, comprenant un matériau supraconducteur, qui est centrée sur l’axe X de rotation et qui s’étend radialement à l’intérieur des pastilles supraconductrices 7 et radialement à l’extérieur de l’enceinte adiabatique 9. La barrière de flux 12 est donc positionnée au centre de la machine électrique 1 de sorte à masquer les pièces qui ne participent pas à la génération du couple, telles que l’arbre d’entrainement, l’ensemble de refroidissement ou encore les joints d’étanchéité. La barrière de flux 12 forme donc un écran pour les pièces logées dans l’enceinte adiabatique 9, qui ne participent pas à la génération du couple, ce qui permet de concentrer le flux magnétique au niveau des pastilles supraconductrices 7, et donc d’augmenter la densité de puissance de la machine électrique 1.

Dans une forme de réalisation, la barrière de flux 12 est placée entre les pastilles supraconductrices 7 et l’axe X, autour des pièces logées dans l’enceinte adiabatique 9, et s’étend de manière continue le long de toute la périphérie interne des pastilles supraconductrices 7. La barrière de flux 12 est en outre coaxiale à l’axe X. Le flux magnétique est ainsi écranté sur 360° et la densité de puissance de la machine électrique 1 est maximisée. En supposant que le champ magnétique créé par la bobine supraconductrice 6 seule varie très peu sur son rayon, la moitié du flux magnétique de cette même bobine 6 traverse les pièces logées dans l’enceinte adiabatique 9. De ce fait, la présence de la barrière de flux 12 permet de récupérer 50 % du flux magnétique pour augmenter l’induction dans la partie utile, et donc d’augmenter la densité de puissance de la machine électrique 1 d’environ 30 %.

De plus, les parties de la machine électrique 1 qui comprennent des matériaux ferromagnétiques, telles que les joints d’étanchéité si ceux-ci comportent des parties ferromagnétiques, sont alors protégées du champ magnétique. En effet, en l’absence de barrière de flux 12, il existe un risque de saturer ces matériaux ferromagnétiques et donc de mettre l’ensemble de refroidissement, et donc la machine électrique 1 , en défaut.

La barrière de flux 12 peut être réalisée dans l’un quelconque des matériaux supraconducteurs envisagés pour les pastilles supraconductrices 7 listés plus haut. Le cas échéant, la barrière de flux 12 peut être réalisée dans le même matériau supraconducteur que les pastilles 7. La barrière de flux 12 peut en outre être refroidie de manière analogue aux pastilles supraconductrices 7.

La barrière de flux 12 peut être fixée sur le rotor ou le stator de la machine électrique 1.

Dans une première forme de réalisation illustrée sur la figure 1 , la barrière de flux 12 est fixée sur le rotor de la machine électrique 1 , par exemple sur les pastilles supraconductrices 7 et/ou sur la structure porteuse 8 sur laquelle sont montées les pastilles supraconductrices 7. Cette configuration permet d’utiliser une barrière de flux 12 ayant une épaisseur plus grande (de l’ordre de dix à vingt millimètres d’épaisseur) et donc d’améliorer l’écrantage du champ magnétique. En effet, lorsque la barrière de flux 12 est fixée au niveau du rotor, elle peut être monobloc avec les pastilles supraconductrices 7 utilisées pour la modulation du flux. Ces pastilles 7 sont typiquement plus épaisses que la barrière de flux 12 servant à la protection (une bonne qualité d’écrantage étant requise pour la modulation du champ). Cependant, lorsque la barrière de flux 12 et les pastilles 7 sont monobloc, par simplicité de réalisation, elles pourront avoir la même épaisseur. Une conséquence est alors l’amélioration de l’écrantage pour la barrière de flux 12 ‘protectrice’.

La barrière de flux 12 peut par exemple être fixée sur une bordure radialement interne des pastilles supraconductrice 7 (c’est-à-dire la bordure des pastilles supraconductrices 7 qui est la plus proche de l’axe X).

En variante, comme illustré sur la figure 2, la barrière de flux 12 peut être montée sur le stator de la machine électrique 1 , par exemple sur les bobines 5 de l’induit 2. Dans ce cas, l’épaisseur de la barrière de flux 12 peut être inférieure à un millimètre pour ne pas gêner le fonctionnement de la machine électrique 1. En effet, lorsque la barrière de flux 12 est montée sur les bobines 5 de l’induit 2, elle se trouve alors au niveau de l’entrefer de la machine électrique 1. Or, cet entrefer doit être aussi petit que possible car il est directement proportionnel au couple de la machine électrique 1 (et donc à sa puissance). C’est pourquoi dans cette configuration, il est préférable de limiter l’épaisseur de la barrière de flux 12.

De préférence, un rayon externe de la barrière de flux 12 est inférieur ou égal à un rayon interne des pastilles supraconductrices 7 afin de ne pas perturber l’écrantage du champ magnétique par les pastilles supraconductrices 7. Par rayon externe de la barrière de flux 12, on comprendra ici le rayon maximal de la barrière de flux 12, mesuré depuis l’axe X de rotation. Par rayon interne des pastilles supraconductrices 7, on comprendra ici le rayon minimal desdites pastilles 7, mesuré depuis l’axe X de rotation.

Ainsi, lorsque la barrière de flux 12 est fixée sur les pastilles supraconductrices 7 et/ou sur leur structure porteuse, ladite barrière de flux 12 ne s’étend pas radialement au-delà des pastilles supraconductrices 7. Une longueur radiale (c’est-à-dire suivant un axe radial à l’axe X) de la barrière de flux 12 est inférieure à l’entrefer entre l’enceinte adiabatique 9 et le rayon interne des pastilles supraconductrices 7.

La barrière de flux 12 s’étend de manière sensiblement continue autour de l’axe X afin d’assurer le développement de boucles de courant dans la barrière de flux 12 qui canalisent le flux magnétique et améliorent ainsi la redirection du flux vers les parties actives de la machine électrique 1. Ainsi, la barrière de flux 12 ne comprend pas plusieurs sections collées les unes aux autres suivant la direction circonférentielle mais une seule pièce continue sur sa circonférence.

Dans une forme de réalisation (illustrée par exemple sur la figure 2), la hauteur de la barrière de flux 12 est telle que ladite barrière 12 s’étend devant une bordure radialement interne 10 de tout ou partie des bobines 5 de l’induit, de préférence de toutes les bobines 5, de sorte à recouvrir au moins partiellement leur bordure 10. De préférence, la barrière de flux recouvre toute la bordure radialement interne 10 des bobines 5, en recouvrant entre 0 % et 10 % des bordures latérales 11 . Pour une densité de puissance maximale, la barrière de flux 12 ne recouvre pas les bordures latérales 11. Cette configuration permet alors de réduire les risques de déformation des bobines 5 de l’induit 2 tout en améliorant la densité de puissance de la machine électrique 1. En effet, les forces au niveau de la bordure radialement interne 10 des bobines 5 ne produisent pas de couple mais sont susceptibles de déformer les bobines 5. Grâce à la barrière de flux 12, le champ magnétique est alors écranté au niveau de la bordure radialement interne 10 des bobines 5 et redirigé de l’induit 2 vers les régions actives de la machine électrique 1 , c’est-à-dire radialement en direction des bordures latérales 11 et de la bordure radialement externe 9 des bobines 5, ce qui permet d’augmenter la densité de puissance de la machine électrique 1 .

La barrière de flux 12 peut être de forme globalement annulaire et centrée sur l’axe X.

Dans une première forme de réalisation, comme illustré sur les figures 1 et 2, la barrière de flux 12 peut présenter la forme d’un disque dans lequel est réalisé un orifice traversant de sorte à obtenir une bande annulaire 13 s’étendant dans un plan radial à l’axe X. L’enceinte adiabatique 9 (qui loge l’arbre d’entrainement, l’ensemble de refroidissement et les joints ferrofluides) est ainsi placée par rapport à la barrière de flux 12 de sorte à s’étendre à travers l’orifice traversant de la bande annulaire 13. La barrière de flux 12 est donc montée autour de ces pièces de la machine électrique.

Dans une deuxième forme de réalisation illustrée en figure 5, la barrière de flux 12 comprend une bande annulaire 13 s’étendant circonférentiellement autour de l’axe X de sorte à former un cylindre de révolution centré sur l’axe X. Ici encore, l’arbre d’entrainement, l’ensemble de refroidissement et les joints ferrofluides sont ainsi placé par rapport à la barrière de flux 12 de sorte à s’étendre à travers l’espace interne délimité par la bande annulaire 13. Optionnellement, la barrière de flux 12 comprend en outre au moins une face 14 s’étendant radialement vers l’axe X depuis la bordure annulaire, de préférence deux faces 14 opposées décalées axialement l’une de l’autre. Chaque face 14 comprend alors un orifice traversant 15 permettant le passage notamment de l’arbre d’entrainement, de sorte que l’arbre d’entrainement, l’ensemble de refroidissement et les joints d’étanchéité sont logés au moins partiellement au sein la bande annulaire 13 de la barrière de flux 12.

Quelle que soit la configuration (radiale ou circonférentielle) de la bande annulaire 13, ladite bande annulaire 13 est de préférence sensiblement continue suivant la direction circonférentielle. Dans le cas où la bande annulaire 13 est formée intégralement et en une seule pièce avec les pastilles supraconductrices 7, l’épaisseur de la bande annulaire 13 peut être sensiblement égale à celle des pastilles 7 pour simplifier la fabrication de cette partie du rotor.

Procédé de fabrication

La barrière de flux 12 peut être obtenue par croissance de germes ou par empilement de rubans.

Lorsque la barrière de flux 12 est obtenue par croissance de germes, le procédé de fabrication comprend les étapes suivantes :

- réalisation d’une pièce type pastille conventionnelle en forme de disque par croissance de germes ;

- usinage de la pièce ainsi obtenue de sorte à obtenir la forme finale de la barrière de flux 12.

Dans le cas d’une barrière de flux 12 du type bande annulaire 13 (radiale ou circonférentielle), la pièce obtenue par croissance de germes a de préférence la forme d’un disque et l’étape d’usinage consiste à réaliser un orifice central 15 traversant dans le disque de sorte de sorte à obtenir la bande annulaire 13.

Lorsque la barrière de flux 12 est obtenue par empilement de rubans, le procédé de fabrication comprend les étapes suivantes : prédécoupage des rubans de sorte à obtenir la bande annulaire 13 de la barrière de flux 12 ; empilement des rubans ainsi prédécoupés de manière conventionnelle pour obtenir la barrière de flux 12 ; et optionnellement, usinage de la pastille supraconductrice 7 ainsi obtenue. Le cas échéant, lorsque la barrière de flux 12 est fixée sur les pastilles supraconductrices 7, la barrière de flux 12 et les pastilles supraconductrices 7 peuvent être formées intégralement et en une seule pièce. En d’autres termes, la barrière de flux 12 et les pastilles supraconductrices 7 peuvent être fabriquées simultanément par croissance de germes ou par empilement de rubans. Pour cela, les pastilles supraconductrices 7 et la barrière de flux 12 peuvent être obtenue en réalisant une pastille 7 en forme de disque dont le rayon externe est égal à celui des pastilles supraconductrices 7, puis en usinant cette pastille 7 afin de former l’orifice central 15 de la barrière de flux 12 ainsi que les espaces entre les pastilles 7. L’épaisseur de la barrière de flux 12 est alors égale à l’épaisseur des pastilles supraconductrices 7 (généralement, de l’ordre de dix à vingt millimètres).

On notera que, lorsque la barrière de flux 12 est fixée sur le stator, la barrière de flux 12 est de préférence réalisée par empilement de rubans afin de pouvoir obtenir des épaisseurs inférieures à un millimètre.

Application aux machines électriques à flux radial

Dans le cas d’une machine supraconductrice à flux radial (voir par exemple les figures 3 et 4), l’inducteur 3 comporte une bobine supraconductrice avant 6 et une bobine supraconductrice arrière 6’ qui sont annulaires et coaxiales à l’axe X de rotation et des pastilles supraconductrices 7 montées sur une structure porteuse qui sont disposées circonférentiellement par rapport à l’axe X. Les bobines supraconductrices 6 génèrent le champ magnétique. Les pastilles 7 sont par exemple de forme rectangulaire. L’induit 2 quant à lui comprend un agencement de bobines 5 disposées circonférentiellement par rapport à l’axe X, radialement à l’extérieur des pastilles supraconductrices 7.

Les bobines 5 de l’induit 2 peuvent chacune présenter une forme sensiblement rectangulaire dont un plus grand côté s’étend parallèlement à l’axe X du rotor. Les bobines 5 sont assemblées bord à bord le long de leur plus grand côté de sorte à définir un ensemble sensiblement cylindrique autour de l’axe X de rotation.

L’invention décrite ci-avant s’applique alors mutatis mutandis à la machine électrique 1 à flux radial. De préférence, la barrière de flux 12 comprend une bande annulaire 13 s’étendant circonférentiellement autour de l’axe X de sorte à former un cylindre de révolution centré sur l’axe X (voir figures 3 et 4). Une longueur axiale de la bande annulaire 13 (mesurée le long de l’axe X) est sensiblement égale, à 10 % près, à une longueur axiale des pastilles supraconductrices 7 afin d’assurer un écrantage efficace du flux magnétique. Le cas échéant, la barrière de flux 12 peut en outre comprendre au moins une face 14, typiquement deux faces 14 opposées s’étendant depuis la bande annulaire 13 (figure 4) jusqu’à une zone adjacente à l’arbre d’entrainement. Les caractéristiques de la barrière de flux 12 décrites ci-avant en relation avec la machine électrique à flux axial se retrouvent mutatis mutandis dans la barrière de flux d’une machine électrique à flux radial. En particulier, la barrière de flux 12 peut être placée radialement à l’intérieur des pastilles supraconductrices 7 de sorte à masquer au moins partiellement l’arbre d’entrainement, l’ensemble de refroidissement et/ou les joints ferrofluides. Par ailleurs, la barrière de flux 12 peut être fixée sur l’induit 2 ou sur le rotor, c’est-à-dire montée radialement à l’intérieur des bobines 5 de l’induit 2 ou sur leur structure support 8.

En revanche, dans une machine électrique 1 à flux radial, la barrière de flux 12 est montée sur la structure porteuse 8 (et non sur les pastilles supraconductrices 7 ou l’induit 2 puisqu’ils s’étendent radialement par rapport à l’axe X).

La machine électrique 1 peut notamment être utilisée dans un aéronef 100.